量子糾纏可能與蒸汽機(jī)有著深刻的聯(lián)系

一年后幾乎排除了這種可能性，一對(duì)來(lái)自日本和荷蘭的理論物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了量子糾纏與驅(qū)動(dòng)蒸汽機(jī)、烘干襪子甚至可能使時(shí)間箭頭指向一個(gè)方向的物理學(xué)有著根本的共同之處。

這種普遍性質(zhì)，如果它確實(shí)像他們所建議的那樣存在，它將控制糾纏系統(tǒng)之間的所有轉(zhuǎn)換，并為物理學(xué)家提供一種測(cè)量和比較糾纏的方法，而不僅僅是計(jì)算量子比特 - 并知道他們操縱糾纏對(duì)的極限。

量子糾纏，不同物體的量子模糊性在數(shù)學(xué)上合并的趨勢(shì)，是量子計(jì)算以及疊加。當(dāng)粒子、原子或分子糾纏在一起時(shí)，了解一個(gè)會(huì)告訴我們另一個(gè)。

在實(shí)現(xiàn)這些計(jì)算夢(mèng)想的過(guò)程中，物理學(xué)家主要關(guān)注的是如何將兩個(gè)粒子纏繞成糾纏狀態(tài)并且不打擾它們，因此它們不會(huì)崩潰并且可以可靠地遠(yuǎn)距離傳輸信息.

然而，很少有人考慮糾纏粒子是否可以從一個(gè)量子態(tài)轉(zhuǎn)化為另一個(gè)量子態(tài)，這將有多困難，存在多少可能的排列，以及最終糾纏過(guò)程是否是可逆的。

在熱力學(xué)，可逆性描述了理想的過(guò)程，這些過(guò)程可以以一種使系統(tǒng)和宇宙有效保持不變的方式被撤消。例如，用熱量將水變成蒸汽可以驅(qū)動(dòng)活塞，而推動(dòng)蒸汽的活塞可以將其恢復(fù)到加熱的液態(tài)。

如果糾纏態(tài)也可以被撤消，即使在理論上，這可能意味著與熱力學(xué)可以指出量子力學(xué)中更深層次的真理。

“我們的工作是第一個(gè)證據(jù)，證明可逆性是糾纏理論中可實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)象，”說(shuō)量子物理學(xué)家Bartosz Regula，來(lái)自RIKEN中心。量子計(jì)算在日本，他與阿姆斯特丹大學(xué)的Ludovico Lami合作進(jìn)行了這項(xiàng)研究。

“這不僅在量子理論的基礎(chǔ)中具有直接和直接的應(yīng)用，而且還將有助于理解我們?cè)趯?shí)踐中有效操縱糾纏的能力的最終限制，”Regula說(shuō)增加.

可逆過(guò)程在現(xiàn)實(shí)中不可能發(fā)生，這要?dú)w功于熱力學(xué)第二定律.總結(jié)為一個(gè)稱為熵，它決定了封閉系統(tǒng)中的任何新?tīng)顟B(tài)在變化后都可能不具備完全逆轉(zhuǎn)所需的能量。

想反轉(zhuǎn)活塞嗎？你需要從其他地方汲取能量。由于宇宙是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，無(wú)法從其他地方獲取能量，因此它的熵將永遠(yuǎn)增加。

鑒于熱力學(xué)中熵和可逆性之間的密切關(guān)系，確定糾纏中的平行關(guān)系可能對(duì)理解量子變換具有深遠(yuǎn)的意義。

為了建立糾纏的“熵”，Regula和Lami必須證明糾纏變換確實(shí)可以被逆轉(zhuǎn)，就像功和熱可以在熱力學(xué)中轉(zhuǎn)換一樣。

關(guān)于糾纏存在某種“熵”的說(shuō)法是 Regula 和 Lami 的突然轉(zhuǎn)變，他們?nèi)ツ臧l(fā)表了一篇留學(xué)自然物理這聲稱“畢竟沒(méi)有糾纏操縱的第二定律”。

這對(duì)結(jié)束因?yàn)榧m纏粒子總是會(huì)導(dǎo)致這種糾纏的某種損失，而這種糾纏永遠(yuǎn)無(wú)法完全恢復(fù)，所以不可能將一個(gè)量子態(tài)或資源轉(zhuǎn)化為另一個(gè)量子態(tài)或資源，然后再轉(zhuǎn)換回來(lái)。

“我們可以得出結(jié)論，沒(méi)有一個(gè)單一的量，如糾纏熵，可以告訴我們關(guān)于糾纏物理系統(tǒng)允許變換的一切。拉米當(dāng)時(shí)說(shuō).

但這些發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有阻止他們。相反，他們以為它建議一個(gè)統(tǒng)一的糾纏理論，如果存在的話，比經(jīng)典的熱力學(xué)定律要復(fù)雜得多。所以他們一直在計(jì)算數(shù)字。

他們的最新產(chǎn)品使用概率糾纏變換，這種變換只在某些時(shí)候起作用，但提供了更多的功能，這表明糾纏的可逆框架可能是可能的。

但雷古拉承認(rèn)證明糾纏粒子的變換在實(shí)踐中是如何工作的，而不僅僅是證明它在統(tǒng)計(jì)上是可能的，涉及解決數(shù)學(xué)問(wèn)題，“到目前為止，所有解決它們的嘗試都逃避了”。

更重要的是，這對(duì)搭檔的工作與之前描述某些量子變換的嘗試不同，因?yàn)樗豢紤]了可以以某種概率實(shí)現(xiàn)的變換——無(wú)論這些概率有多小。因此，這些概率可能不足以證明在實(shí)踐中存在可重復(fù)的、可逆的糾纏態(tài)變換。

“因此，了解可逆性的確切要求仍然是一個(gè)引人入勝的開放性問(wèn)題，”雷古拉 說(shuō).

該研究已發(fā)表在自然通訊.

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